FOTOWOLTAIKA

I

POPMPY CIEPŁA

Dr inż. Zbigniew Wrzesioski

Warszawa 12.01.2012

SYSTEMY FOTOWOLTAICZNE

Początkowo ogniwa słoneczne były

wykorzystywane tylko w kosmosie. W latach
siedemdziesiątych narodziła się koncepcja
wykorzystania energii słonecznej jako źródła
alternatywnego w stosunku do źródeł
paliwowych.

Najprostsze ogniwo słoneczne można zbudowad przez
połączenie dwóch półprzewodników; jednego o typie p i
jednego o typie n, nazywane złączem p-n. W takim złączu,
elektrony z krzemu typu n „widzą” dziury w krzemie typu p i
przemieszczają się, żeby je wypełnid i utworzyd parę
elektron-dziura. Jednak, gdy foton uderza jedną z takich
par, zostaje ona rozerwana i przepływ tych nowo-
uwolnionych

nośników

ładunków

(pozytywnych

i

negatywnych) przez materiał wytwarza prąd elektryczny.

Jednym z ograniczeo

stosowania

energii

słonecznej jest zależnośd ilości wyprodukowanego
prądu od czynników środowiskowych takich jak
zachmurzenie, kąt pod którym promienie słoneczne
padają na panel, śnieg, deszcz, liście czy inne
zanieczyszczenia i oczywiście pora nocna.

Najbardziej typowe sektory zastosowania

systemów fotowoltaicznych to:

• telekomunikacja (zasilanie stacji radiowo-telekomunikacyjnych),
• rolnictwo (zasilanie urządzeo pompujących i nawadniających,

konserwujących żywnośd),

• rekreacja i turystyka (pola namiotowe, domki kempingowe, jachty),
• budownictwo mieszkaniowe (oświetlanie i zasilanie elektrycznych

urządzeo gospodarstwa domowego),

• transport (zasilanie znaków drogowych i morskich, oświetlanie

przystanków i ulic oraz napęd pojazdów słonecznych),

• elektroenergetyka (produkcja energii elektrycznej na potrzeby

ogólnej sieci elektroenergetycznej),

• elektronika użytkowa (zasilanie wszelkiego użytku: kalkulatory,

urządzenia telewizyjne).

Energię słoneczną w Polsce można

scharakteryzowad następująco:

• stosunkowo duża ilośd energii padająca na

jednostkę powierzchni, porównywalna z
wartością charakteryzującą strefę tropikalną,
jednak o znacznie mniejszym jednostkowym
strumieniu mocy wynoszącym średnio w ciągu
roku 930 - 1163 kW/m

2

,

• duży udział promieniowania rozproszonego, tzw.

dyfuzyjnego wynoszący około 50%
promieniowania całkowitego,

• średnio 1600 godzin słonecznych w ciągu roku.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Ogniwa

fotowoltaiczne

monokrystaliczne

Ogniwa fotowoltaiczne monokrystaliczne

- wykonane jest z jednego

monolitycznego

kryształu krzemu. Charakteryzuje się wysoką

sprawnością zazwyczaj 18-22% oraz wysoką ceną. Posiada
charakterystyczny ciemny kolor.

Ogniwa

fotowoltaiczne

polikrystaliczne

Ogniwo

fotowoltaiczne

polikrystaliczne

wykonane

jest

z

wykrystalizowanego krzemu. Charakteryzuje

się sprawnością w

przedziale 14-18% oraz

umiarkowaną ceną. Zazwyczaj posiada

charakterystyczny niebieski kolor i

wyraźnie zarysowane kryształy

krzemu.

Ogniwa

fotowoltaiczne

amorficzne

Ogniwo fotowoltaiczne amorficzne wykonane jest z amorficznego,
bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu. Charakteryzuje

się

niską sprawnością w przedziale 6-10% oraz niską ceną. Zazwyczaj
posiada charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych
kryształów krzemu.

ogniwa/panel III generacji zbudowany w
oparciu o ogniwa polimerowe firmy konarka

ogniwa/panel III generacji zbudowany w
oparciu o ogniwa DSSC firmy dyesol

Głównymi dziedzinami zastosowań fotoogniw są:

-

układy zasilające obiekty komunalne i mieszkalnictwo;

- zasilanie

urządzeń elektronicznych w telekomunikacji i

transporcie itd.;
- zasilanie

układów pomiarowych;

- elektrownie fotowoltaiczne;
- technologie wojskowe i kosmiczne.

laptop zasilany

fotoogniwami

fotoogniwo na

podłożu

polimerowym

Pompy ciepła

Pompy

ciepła przemieniają ciepło o niskiej temperaturze

(nawet w zimie przy temperaturach

poniżej 0

C) w

ciepło

o wysokiej temperaturze.

Schemat

układu i opis

działania pompy ciepła

Ilustracja przemian obiegu porównawczego

lewobieżnego Carnota we współrzędnych TS dla
pompy ciepła

Zasada działania pompy ciepła

Budowa instalacji

Elementy instalacji pompy

ciepła: 1-sprężarka, 2-skraplacz, 3-parownik, 4-

zawór rozprężny, 5-dolne źródło ciepła (grunt/woda/powietrze), 6-górne źródło
ciepła (ogrzewanie grzejnikowe lub podłogowe) .

Procesy termodynamiczne

zachodzące w pompie ciepła

:

1 - Przegrzane pary czynnika

chłodniczego o wysokim ciśnieniu, 2 - Skraplanie

czynnika

chłodniczego w wymienniku, 3 - Dochłodzona ciecz czynnika

chłodniczego o wysokim ciśnieniu, 4 - Rozprężony czynnik chłodniczy o niskim
ciśnieniu, 5 - Odparowanie czynnika chłodniczego w parowniku, 6 - Przegrzane
pary czynnika

chłodniczego o niskim ciśnieniu, 7 - Powrót wody z instalacji

grzewczej, 8 - Podgrzewanie wody przez

oddający ciepło skraplający się

czynnik, 9 - Zasilanie instalacji

podgrzaną w pompie ciepła wodą, 10 - "Ciepła"

ciecz z obiegu dolnego

źródła, 11 - Chłodzenie cieczy poprzez odparowywujący

czynnik

chłodniczy, 12 - Schłodzona w pompie ciepła ciecz obiegu dolnego

źródła.

Rodzaje kolektorów

•Kolektor gruntowy poziomy

•Kolektor gruntowy spiralny

•Kolektor gruntowy pionowy

Rodzaj ogrzewanego budynku

Wsp. zapotrzebow. kc [W/m2]

Stare budownictwo bez ocieplenia

>80

Budynki nowe lub stare słabo ocieplone (do

5cm styropianu lub wełny mineralnej)

65

75

Budynki nowego bud. o średnim ociepleniu (o

grubości do 10cm)

45

55

Budynki nowego bud. bardzo dobrze

ocieplone (co najmniej 20cm ocieplenia)

35

45

Obieg termodynamiczny pompy

ciepła o typowym

przebiegu temperatury i

ciśnienia. Czynnik roboczy

R134a, punkt pracy: L7/W50.

Działanie typowej najprostszej pompy ciepłą przypomina więc lodówkę. W
lodówce ciepło jest odbierane z wewnątrz ( tam znajduję się dolne źródło ciepło
i

następuje odparowanie czynnika chłodzącego) i odprowadzane do

pomieszczenia ( tu

znajduję się skraplacz i ciepło jest uwalniane do otoczenia).

Podobnie w pompie

ciepłą: ciepło jest odbierane od gruntu, który się ochładza

a

następnie oddawane w pomieszczeniu, w którym znajduje się skraplacz.

Obieg termodynamiczny w

sprężarkowej pompie ciepła

Główne czynniki wpływające na

efektywność pompy ciepła.

•Typ pompy ciepła
•Rodzaj dolnego źródła i jego dostępność
•Parametry źródła górnego
•Straty ciepła na wymiennikach
•Straty ciepłą na czynnikach pośredniczących
•Ilość urządzeń pomocniczych: pompy, wentylatory,
zbiorniki akumulacyje

Podział pomp ciepła

Jednoczynnikowe pompy
ciepła
- zasilane elektrycznie
- zasilane gazowo
- zasilane spalinowo
-

inny napęd

-

wykorzystujące zimno

gazowe
- wyskotemperaturowe
•Sorbcyjne pompy ciepła
- absorbcyjne

(podwyższające

i

obnożające)

-resorbcyjne

•Z obiegiem roztworów
- zeotropowe
- nieazeotropowe
•Kombinowane pompy ciepła
•Srumienicowe pompy ciepła

Ze względu na ilość źródeł

•monowalentne
•biwalentne
•multiwalentne

Ze względu na rodzaj źródła

•pierwotne: źródła energii
odnawialnej
•wtórne: ciepło odpadowe,
ścieki, itp.